Blogi • 31.08.2022

Toiminnallinen turvallisuus varmistetaan mallipohjaisella suunnittelulla

Toiminnallinen turvallisuus varmistetaan mallipohjaisella suunnittelulla

Kun koneiden autonomisuus kasvaa, turvallisuuskriteerit kiristyvät. Toiminnallisella turvallisuudella varmistetaan, etteivät automaattiset laitteet ja koneet ole vaaraksi ihmiselle, muille laitteille tai ympäristölle.

Toiminnallinen turvallisuus tarkoittaa koneeseen rakennettua ominaisuutta, jonka tarkoituksena on poistaa tai vähentää potentiaalisesti vahinkoa aiheuttavia riskejä. Toiminnalliseen turvallisuuteen liittyy jäljitettävyyden vaatimus ja dokumentointi eli se on otettava huomioon jo liikkuvien koneiden ohjelmistosuunnittelussa. Kun turvallisuus on kyseessä, on kuviossa aina mukana standardeja ja säännöksiä, joita on noudatettava. Mallipohjainen suunnittelu tukee erinomaisesti näitä vaatimuksia ja toiminnallista turvallisuutta yleisesti.

Oli kyse sitten tehtaan tuotantolinjoista tai 20 – 30 tonnia painavista metsäkoneista voi jokainen kuvitella itse, minkälaista vahinkoa tuollainen voi saada aikaan toimiessaan itsenäisesti, mutta syystä tai toisesta epätavallisesti.

Turvallisuuden takaamisen prosessi

Työjärjestys teollisuuden laitteiden ja liikkuvien koneiden tuotekehityksessä on yksinkertaistettuna seuraavanlainen:

  1. Vaara- ja riskikartoitus
  2. Turvajärjestelmän toiminnallisuuden vaatimusmäärittely
  3. Turvajärjestelmän suunnittelu ja validointi

Vaarakartoitus tarkoittaa sananmukaisesti potentiaalisten vaaratilanteiden kartoittamista ja tunnistamista etukäteen, sekä niihin liittyvien riskien määrittelemistä esimerkiksi vaaran seurausten ja tapahtumistodennäköisyyksien mukaan. Näihin pyritään löytämään ensisijaisesti ns. luonnollinen tapa välttää vaara. Tämä tarkoittaa vaaran poistamista kokonaan suunnittelemalla toiminto eri tavalla, esimerkiksi korvaamalla korkeajännitteinen sähköinen toiminto matalammalla, vaarattomalla jännitetasolla.

Mikäli vaaraa ei voida poistaa järjestelmästä, pyritään riskiä pienentämään passiivisilla menetelmillä, kuten henkilöiden pääsyn rajoittamisella potentiaalisesti vaarallisiin osiin järjestelmää, kuten tietyt osat tehtaan tuotantolinjoilla.

Toiminnallisuuden vaatimusmäärittelyn alle kuuluvat ne riskit, joita ei voida taklata edellä mainituilla keinoilla. Ne on hoidettava teknisellä turvajärjestelmällä. Esimerkiksi turva-alue työkoneen ympärillä voidaan varmistaa sensoreilla tai muulla tekniikalla.

Turvajärjestelmän suunnittelu ja validointi on toiminnallisen turvallisuuden kovaa ydintä. Sillä tarkoitetaan laitteen ja sen ohjelmiston turvallisuutta takaavia ominaisuuksia, jotka ovat todennettavia, dokumentoituja ja jäljitettävissä. Näillä varmistetaan turvallisuus kaikissa tilanteissa. Käytännössä näillä varmistetaan, että toiminnot eivät itsessään aiheuta vaaratilanteita silloin, kun tuote toimii normaalisti. Lisäksi näillä varmistetaan keinot havaita ja minimoida vahingot silloin, kun laite toimii epänormaalisti. Esimerkkinä vaikkapa savuvaroitinta tai työkoneen liikkeen hätäpysäytys.

Mallipohjainen suunnittelu helpottaa toiminnallisen turvallisuuden vaatimuksien täyttämistä

Jäljitettävyys ja dokumentaatio ovat asioita, jotka toistuvat toiminnallisen turvallisuuden vaatimuksissa. Mallipohjainen suunnittelu on täydellinen ratkaisu näiden vaatimusten täyttämiseen, sillä osia dokumentaatiosta syntyy automaattisesti ohjelmistokehityksen sivutuotteena.

Mallipohjaisen suunnittelun peruselementit:

  • Mallipohjaisessa suunnittelussa kehittäjä mallintaa toiminnallisuuksia kokonaisuuksina ja tuloksena on visuaalinen malli pelkän koodin sijaan.
  • Usein mallipohjaisen suunnittelun työkalut generoivat koodin automaattisesti visuaalisen mallin pohjalta.
  • Tuotetta päästään testaamaan aiemmin ja sitä myötä kattavammin, jolloin laatu ja turvallisuus paranee.

Yllä mainitusta visuaalisesta mallista toiminnan ymmärtäminen on helpompaa niille, joille koodi ei ole niin tuttua. Tämän ansiosta turvallisuuteen liittyvien asioiden esittely ja läpikäynti eri sidosryhmien kanssa helpottuu, mikä osaltaan parantaa tuotteen laatua ja turvallisuutta.

Jos mallia muutetaan, päivittyy toiminnalliseen turvallisuuteen liittyvä dokumentaatio samalla ja jäljitettävyyden vaatimus pysyy ajan tasalla kehityksessä tapahtumista muutoksista huolimatta.

Laitteiden, koneiden ja järjestelmien turvallisuuteen liittyy valtava määrä erilaisia standardeja, joita valmistajan tulee täyttää. Nämä vaatimukset on oltava myös todennettavissa. Mallipohjainen suunnittelu ja sen työkalut tukevat erittäin hyvin eri standardien vaatimuksia. On myös varsin tavallista, että tietyn eheystason saavuttaminen tietyn standardin mukaan vaatii jo itsessään mallipohjaisten suunnittelumenetelmien käyttöä.

Mallipohjaiseen suunnitteluun kohdistuva kritiikki perustuu usein käytettävien työkalujen korkeaan hintalappuun. Kustannukset ovat kuitenkin helposti perusteltavissa korkeammalla laadulla ja tehokkaammalla tuotekehityksellä.

Turvallisuuden lisäksi älykkäiden koneiden rakentamiseen liittyy mm. palvelullistamista, testaamista ja tietoturvaa. Tutustu liikkuvien koneiden tuottavuuden lisäämiseen:

TÄSTÄ KOHTI ÄLYKKÄÄMPIÄ KONEITA

Jari Rauhamäki

Jari on ohjelmistokehittäjä ja -arkkitehti sekä tekniikan tohtori Tampereen yliopistosta. Jarin erityisenä mielenkiinnon kohteita ovat C++-ohjelmointi, järjestelmäsuunnittelu, turvallisuuskriittiset järjestelmät ja mallipohjainen suunnittelu.

Piditkö lukemastasi? Jaa se myös muille.